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三电平SVPWM算法研究及仿真.pdf
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三电平SVPWM算法研究及仿真.pdf
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第2章三电平基本理
论
2
.1三电平拓
扑
结
构
2
.1.1
概述
三电平逆
变
器是多电平逆
变
器的最基本结构。它不但结构简
单
,应用广泛
,
而且控制策略也比较简
单
,是分析研究多电平逆
变
器的基础,
其
它多电平逆
变
器均是以三电平逆
变
器
作
为基本
单
元,按类似的拓
扑
结构拓展而成。总的说
来,
三电平逆
变
器的基本拓
扑
结构包括二极
管箝
位式、飞跃电容式、带分
离
直流电
源
串联
式。
三
电平逆
变
器的各种拓
扑
结构都有一些共同优点,比如它们都适合大容量
、
高
电压
变
频场合;由于开关器件在较
低
的工
作
频率下可以获得较好的波形,因
此开关损耗
低
,效率
高
;电路的电磁干扰(EMI)问题大大减轻
等。
但是,带分
离
直流电源串联
式
电路拓
扑
需要独立的直流电源,限制了它
的
应用;飞跨电容
式
电路拓
扑
电容数目增加带
来
诸多不便,且它进行有功功率
传
输
时,控制复杂。因此,本文选用二极
管
钳位式拓
扑
结构
作
为三电平逆
变
器的
主
电
路。
2
.1.2二极
管
箝位
式
拓扑结构原
理
二
极
管
钳位式逆
变
器是由长冈科技大学学者Nabae
等
人于1
9
80
年
提出
,
是提出最早也是研究最为广泛的三电平逆
变
器,又称中点钳位
式
(
Neutral.Point.Clamped)逆变器(NPC
Thr
ee.
L
e
v
e
l
I
nverter),它以跨
接
在
每
相桥
臂
上的两个串联的二极管钳位。以n电平为例,该拓扑每相需要开关器件2
×
(
n.1)
个
,直流分压电容n一1
个
,钳位二极
管
数目为2×(n.2)
个
,
每
2
个
串联后
分
别跨接在正负半桥
臂
对应开关器件之间即可
。
相
对于两电平逆
变
电路而言,优势明显:开关
管
上的电压应
力
只有直流母
线
电压
值
的一半;开关动作一
次
的dv/dt只有两电平的1/2,EMI问题大大减
轻;
电路
输
出电压谐波含量大大减少,波形质量提
高。
’
q
图
2—1三电平二极管箝位
式
拓扑结构
如图2.1所示,
每
一相都需要4
个
主开关器件、4
个续
流二极
管
、2
个箝
位
二
极
管
,当Tl和T2同为导通时,
输
出端A对O点的电平为Vdc/2;当T2和
T3同为导通时,
输
出端A和O点相
连
,因此它的电平为O;当T3和T4同为导
通
时,输出端A对O点的电平为.Vdc/2,所以每相桥
臂
能输出三个电平状态
,
由
三相这种桥
臂
组成的变换电路就叫做二极管箝位式三电平逆变器
。
一相桥
臂
电路的稳态工作情况
具
体叙述如下
:
开关
管
T1和T2同时导通时,T3和T4同时关断,若电流从逆
变
电路流
向
负
载
,即从P点经由T1和T2到达
输
出端A,忽略开关器件的正向导通压降
,
输
出端A的电位
等
同于P的电位,即Vdc/2;若电流从负
载
流向逆
变
电路,
这
时
电流从A分别经过
续
流二极
管
D2、D1流进P点,这时
输
出端A的电位仍
等
同于P的电位
。
开
关
管
T2和T3同时导通时,T1和T4同时关
断
,同上分析
类
似:若电
流
从逆
变
电路流向负
载
,即从中性点O点经由
箝
位二极
管
D5和开关器件T2到达
输
出端A,
输
出端A的电位
等
同于O点的电位,即0电位;若电流从负
载
流向
逆变
电路,这时电流从A分别经过T3和
箝
位二极
管
D6流进O点,这时
输
出
端
A
的电位
仍等
同于O点的电位
。
开
关
管
T3和T4同时导通时,T1和T2同时关断,分析如下:若电流从
逆
变
电
路
流向
负载
,即从
负
电位n点分别经过
续
流二极
管
D4、D3到达
输
出
端
A
,
输
出端A的电位
等
同于n的电位,即.Vdc/2;若电流从负
载
流向逆
变
电路,这
时
电流从A分别经过主开关
管
T3和T4流进n点,忽略开关器
件
的正向导通压
降,这时
输
出端A的电位仍
等
同于n的电位,即.Vdc/2
。
需
要注意的是,根据上面分析的工
作
原理,主开关
管
Tl和T4不能同时导
6
通
,且T1和T3,T2和T4的工作状态
恰
好相反,即工作在互补状态,平均
每
个
主开关
管
所承受的正向阻断电压为Vdc/2,这也是三电平逆
变
器的基本控制
规律之一。另外,每相桥
臂
中间的两个主开关管导通时间最长,导致发热量也
多一些。因此世纪系统
散
热设计应以这两
个
主开关
管
为准
。
2
.2三电平控制
技
术
2
.2.1
概述
PWM控制技术是
高
性能电
力
电子系统的共用及
核
心技术,它是利用半导体
器件的开通和关断把直流电压
变
成一定形状的电压脉冲序列,以
实
现
变
频、
变
压并
有效
地控制和消
除
谐
波
的一种
技
术
。
三
电平逆
变
器PWM技术主要对两方面的目
标
进行控制。
其
中一
个
是
输
出
电压的控制,即逆
变
器
输
出的脉冲序列在伏秒意义上与目
标
参考波形
等
效;
另
一个
是逆
变
器本
身
运行状态的控制,包括直流电容的电压平衡控制、
输
出谐波
控
制、所有功率开关的
输
出功率平衡控制、器件开关损耗控制
等。
三
电平逆
变
器的PWM控制方
法
包括
载
波调制
法
,空间电压矢量调制
法
(
SVPWM)以及闭环调制
法等
。
其
中,三角载波PWM
法
计
算
复杂,
实
现困难
;
阶梯波PWM逆
变
器电路复杂,
变
压器体积重量大,噪声大;分区逼近PWM
法
消除谐波受到电平级数的限制;虚拟级数
法
要求提
高
开关频率;多滞环
法稳
态误差大,
单
滞环
法
暂态响应较差;双滞环
法实
现复杂。目前研究最多、应用
最广泛的还是空间电压矢量调制
法
(SVPWM)。空间电压矢量调制
法
(SVPWM)
是
一种建立在空间电压矢量合成
概
念上的脉
宽
调制方
法
,采取这种方
法
,电压
的
利用率
高
,易于数
字
化
实
现,
输
出波形质量好,
接
近正弦,合理安排空间矢
量,可以降
低
开关频率,减少开关损耗。因此,本文选用空间电压矢量调制
法
(
SVPWM)
作
为三电平逆
变
器的控制方
法。
2
.2.2三电平SVPWM控制方
法
2
.2.2.1三电平基
本
空间矢
量
空
间电压矢量调制
法
(SVPwM)和载波调制
等
方
法
不同,它是从电动
机
的
角
度出发的,着眼与如何使电机获得
幅
值恒定的圆形磁场,即正弦磁通。它以
三相对称正弦波电压供电时交流电动
机
的理想磁通圆为基准,用逆
变
器不同的
开关
模式
所产生
实
际磁通去逼近基准圆磁通,由它们比较的结果决定逆
变
器的
开
关,形成PWM波形。由于它把逆
变
器和电
机
看成一
个整
体
来
处理,所得
模
型简
单
,便于微
机实
时控制,并
具
有
转
矩脉动小,噪声
低
,电压利用
高
的优点
,
因此
目前无论
在
开环控制
系
统还是闭环控制
系
统
中
均得到
广
泛应用
。
以交流电
机
为负载的三相对称系统,当在电
机
上加三相正弦电压时,电
机
气
隙磁通在口一∥
静
止坐
标
平面上的运动轨迹为圆形。设三相正弦电压瞬时值
表
达
式
为
9仃
’仃
vo=圪sin(cat),屹=圪sin(甜一
等
),吃=圪sin(甜+
等
)
7
则它们对应的空间电压矢量定义
为
1
.
2
石
.
2
t1
1
,=
姜
(屹+v6P7了+vce吖了)
这以思想也可以用
来
分析三相逆
变
器供电时异
步
电
机
气隙中磁通矢量的运
行轨迹。设此时逆变器输出端电压为%,‰,%,电机上的相电压为‰,v6Ⅳ
,
V
cⅣ,电
机
中性点对逆变器参考点电压为‰,也就是
零
序电压。这里N为电
机
中性点,0为逆
变
器直流侧
零
电位参考点,此时,前述电
机
的定子电压空间
矢
量为
,,
f望
一
,丝
,
)
f塑
一f一2tr
K=詈(‰+‰Po+‰P
o
)=詈(%+Vboeo+V。oe
o)=屹口+几∥
f 2tr2
且伺VaN=%一VNo’Vb
N
2
‰一VNo
,
‰=%一VNo
理
想的三电平逆变器电路开关模型的每相桥
臂
的电路结构可以看成为一
个
与直流侧相通的单刀三掷开关,则三电平电路的一个桥
臂
只有Vdc/2、0和.Vdc/2
三
种可能
输
出电压值(或称为电平),即
每
相
输
出分别由正(P)、
零
(0)、负(n)
三
个开关状态。也有将n点设为逆变器
零
电位参考点,此时每相桥
臂
的可能输
出电平值表示为0,Vdc/2,Vde,对应的
每
相
输
出表示为0,1,2三
个
开关状
态。这两种表示
法
本质是相同的,在本文的分析中采用前一种表示方
法。
若
定义开关变量s—Sb、s,
代
表各相桥
臂
的输出状态,则各相电压表示为
屹
=
等
%,vb=
等
%,Vc=".dc&
其
中,s,=1,第X相
输
出电平P
s。=0,第X相
输
出电平0,这里X为a,b或c
J
,=.1,第X相输出电平n
因
此,三相三电平逆
变
器就可以
输
出33=27种电压状态组合,对应27组
不
同
的逆
变
器开关状态。此时,仍定义电压空间矢量为
1
,丝
一f!
石
矿
一
Z(k)=÷%(%+she。3+J。P。3)=等[(2Sa一%一%)+/√3(%一&)】
石
则在口一∥平面上,三电平逆
变
器27组开关
状
态所对应的空间矢量如图2.2
所
示。图中
标
出了不同开关状态组合和空间矢量的对应关系,如其中pon表
示
a
,b,c三相
输
出对应的开关状态为正、
零
、负。另外可以看出,同一电压矢
量可以对应不同的开关状态,越往内
层
,对应的冗
余
开关状态越多。从最外
层
的六边形向里
每
进一
层
,矢量对应的开关状态冗
余度
增加1,例如最外
层
的
长
矢量及中矢量冗
余度
为1,即只有一
个
对应的开关状态;短矢量的冗
余度
为2
,
最
里
层
的
零
矢量的冗
余度
为3。因此,口一∥平面上的27组开关
状
态
实
际上
只
对应着19
个
空间矢量,这些矢量被称为三电平逆
变
器的基本空间矢量,简称
基
本
矢量
。
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